增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥水分利用和產(chǎn)量的影響

尹嘉德，侯慧芝，張緒成

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730000)

甘肅隴中旱作區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年均降雨量約400 mm，春小麥為該區(qū)主要糧食作物之一[1]，全生育期降雨量通常不足200 mm。受降水總量不足、降水與小麥需水時(shí)期不吻合、土壤含水量低、春季低溫和夏季高溫脅迫等因素的影響，隴中旱作區(qū)春小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)[2-3]。覆膜栽培有效提高了小麥生育前期的土壤含水量，但因植株生長(zhǎng)旺盛、土壤溫度升高等因素的影響，小麥生育中后期的土壤耗水量和蒸騰作用加強(qiáng)[4-5]，促使土壤水分耗竭，進(jìn)而加劇了春小麥后期生殖生長(zhǎng)階段的水分脅迫[5-6]。因此，需要通過(guò)優(yōu)化栽培措施來(lái)提高作物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，緩解水肥供需矛盾對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。近年來(lái)，全膜覆土穴播技術(shù)在西北黃土高原半干旱區(qū)得到大面積推廣應(yīng)用，改善了土壤水熱環(huán)境[4-6]，活化了土壤養(yǎng)分[7-9]，促進(jìn)了作物生長(zhǎng)發(fā)育[10-12]，提高了作物養(yǎng)分和水分利用效率[12-14]，能夠保蓄降雨并大幅提高農(nóng)田降雨利用率，有效緩解灌漿期高溫脅迫傷害，提高作物產(chǎn)量[15-17]。旱地施有機(jī)肥不僅能夠提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[18]，還能有效地改善土壤理化性質(zhì)[19]，提升土壤保水蓄水能力和延長(zhǎng)土壤肥效[20]，并在一定程度上調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)發(fā)育期間需水和土壤供水間的矛盾[21]。通過(guò)覆膜和施肥來(lái)提高作物產(chǎn)量和水分利用效率已成為國(guó)內(nèi)外旱作農(nóng)業(yè)耕作栽培研究的熱點(diǎn)。目前，關(guān)于全膜覆土穴播技術(shù)或有機(jī)肥對(duì)土壤水分及作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量等影響方面的研究較多，但有關(guān)增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥土壤水分利用影響的研究報(bào)道較少。因此，本研究于2016-2017年在隴中旱作區(qū)設(shè)置田間定位試驗(yàn)，研究增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥田土壤水分及作物相關(guān)生理指標(biāo)和產(chǎn)量等的影響，以期為隴中旱作區(qū)春小麥生產(chǎn)資源高效利用、生態(tài)安全及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016-2017年在甘肅中東部旱作農(nóng)業(yè)區(qū)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站(E104°35′，N35°35′)進(jìn)行。該區(qū)屬于中溫帶半干旱氣候區(qū)，海拔1 970 m，年均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年均日照時(shí)數(shù)2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無(wú)霜期140 d。該區(qū)域作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年平均降水量為415 mm，降水季節(jié)分布不均勻，6-9月份降水量占全年總降水量的68%，降水相對(duì)變率為24%，400 mm降水保證率為48%。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，質(zhì)地為粘壤土，0～300 cm土壤平均容重為1.17 g·cm-3，田間持水量為21.18%，永久凋萎系數(shù)為7.2%。2016年小麥全生育期內(nèi)降水182.1 mm，降雨集中在5月春小麥的拔節(jié)至抽穗期；2017年小麥全生育期內(nèi)降雨142.6 mm，降雨集中在5月底至6月中旬，成熟期降雨較少。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以甘肅省農(nóng)科院選育的春小麥品種“隴春27”為試驗(yàn)材料，進(jìn)行連續(xù)2年的定位試驗(yàn)。采用單因素完全隨機(jī)法，設(shè)全膜覆土平作穴播(PMS)、全膜覆土平作穴播+有機(jī)肥(PMO)、裸地平作(CK)3個(gè)處理，每處理設(shè)3次重復(fù)。小區(qū)面積6 m×10 m，行距20 cm，穴距12.5 cm，每穴8～10株，每公頃450萬(wàn)株。試驗(yàn)用化肥為尿素(含N 46%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O512%～16%)、氯化鉀(含K2O 60%)，有機(jī)肥為風(fēng)干發(fā)酵腐熟完全的羊糞，含全氮0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%。覆膜處理均為秋覆膜，地膜平鋪于整個(gè)地面，在膜上覆土厚1～2 cm，肥料全部作為底肥施入，3個(gè)處理施用化肥的量，折合為純N、P2O5和K2O均為每公頃150、75和45 kg，PMO處理在此基礎(chǔ)上增施羊糞30 000 kg·hm-2。各處理的樣品采集及指標(biāo)測(cè)定均在每個(gè)生育時(shí)期的同一天進(jìn)行。2016年3月20日播種，分別于播前(3月18日)、苗期(4月23日)、拔節(jié)期(5月13日)、抽穗期(5月28日)、灌漿期(7月01日)、成熟期(7月24日)采樣測(cè)定，7月24日收獲；2017年3月24日播種，分別于播前(3月23日)、苗期(4月22日)、拔節(jié)期(5月9日)、抽穗期(5月29日)、灌漿期(7月9日)、成熟期(7月25日)采樣測(cè)定，7月25日收獲。除人工除草外不采取其他田間管理措施。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤貯水量和耗水量測(cè)定 分別于播前及小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期測(cè)定0～300 cm土壤含水量，每20 cm為1個(gè)步長(zhǎng)分層測(cè)定，計(jì)算水分利用效率和各生育時(shí)期貯水量。計(jì)算公式：

SWS=Ws×b×d/10。式中，SWS為土壤貯水量(mm)，Ws為土壤含水量(%)，b為土壤容重(g·cm-3)，d為土壤深度(cm)。

△ET =SWSa-SWSb。式中，△ET為生育期階段耗水量(mm)，SWSa為某生育時(shí)期開(kāi)始時(shí)的土壤貯水量(mm)，SWSb位某生育時(shí)期結(jié)束時(shí)的土壤貯水量(mm)。

1.3.2 干物質(zhì)積累量測(cè)定 分別在小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期于各小區(qū)選取10株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，烘干后測(cè)定植株干重。

1.3.3 SPAD值測(cè)定 分別在小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期于各小區(qū)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，通過(guò)SPAD-502 plus葉綠素儀測(cè)定小麥葉片的SPAD值，每片葉測(cè)3個(gè)位點(diǎn)，取平均值。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測(cè)定 灌漿末期，每小區(qū)選取1 m2樣方統(tǒng)計(jì)成穗數(shù)，并換算成公頃穗數(shù)；然后，每小區(qū)分別取20株成熟小麥植株進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)考種，考種指標(biāo)包括穗粒數(shù)、千粒重、單株生物量；各小區(qū)單收單打，待曬干后統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量，并換算成每公頃產(chǎn)量。

1.3.5 水分利用效率計(jì)算 WUE=Y/ET，ET=SWSBF-SWSHA+P。式中，WUE為水分利用效率(kg·mm·hm-2)，Y為小麥的籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為生育期耗水量(mm)，SWSBF為播前土壤貯水量(mm)，SWSHA為收后土壤貯水量(mm)，P為生育期降雨量(mm)。

1.3.6 收獲指數(shù)計(jì)算 HI=Yd/DW。式中，HI為收獲指數(shù)，Yd為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，DW為地上干物質(zhì)總量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2010軟件分析處理數(shù)據(jù)并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥0～300 cm土壤貯水量的影響

旱地春小麥田0～300 cm土壤貯水量與小麥發(fā)育進(jìn)程和降雨量關(guān)系密切，增施有機(jī)肥可顯著提高全膜覆土穴播春小麥0～300 cm土壤貯水量(圖1)。各處理0～300 cm土壤貯水量在小麥生育前期的變化幅度較??；中后期隨降雨量和作物耗水量的增加，變化幅度增大，其中PMO處理土壤貯水量的增幅大于PMS和CK處理，但整體呈下降趨勢(shì)，且PMO處理降幅最小，PMS處理降幅最大。2年試驗(yàn)期間，PMO處理小麥播種期0～300 cm土壤貯水量較PMS和CK處理分別提高1.45%～9.32%和5.99%～15.23%，而出苗期、抽穗期、灌漿期、成熟期則分別提高2.74%～9.23%和13.69%～18.08%、4.38%～12.62%和11.79%～17.59%、6.10%～17.52%和11.94%～18.31%、7.82%～19.28%和6.25%～16.76%，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。2017年P(guān)MO處理0～300 cm土壤貯水量較PMS和CK處理的增加幅度顯著高于2016年。

2.2 增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥階段耗水量的影響

旱地春小麥生育期階段耗水量與生育進(jìn)程密切相關(guān)，增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥階段耗水量的影響顯著(表1)。2016年，PMO處理在小麥播種-苗期、拔節(jié)-抽穗、抽穗-灌漿階段0～300 cm土壤耗水量分別較PMS處理降低6.57、30.8和5.48 mm，差異顯著(P<0.05)；其在播種-苗期和拔節(jié)-抽穗階段小麥田0～300 cm土壤耗水量分別較CK降低34.50 mm和29.72 mm，差異也達(dá)到顯著水平(P<0.05)。2017年，PMO處理在拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿階段0～300 cm土壤耗水量分別較PMS處理降低37.03和24.61 mm，差異顯著(P<0.05)；其在播種-苗期、拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿階段0～300 cm土壤耗水量分別較CK降低13.01、39.22和9.37 mm，差異顯著(P<0.05)。

2.3 增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥葉片SPAD值的影響

由圖2可知，增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥葉片SPAD值影響顯著，除2016年拔節(jié)期外，其他生育時(shí)期春小麥葉片的SPAD值均隨作物生育進(jìn)程推進(jìn)呈先增后降的趨勢(shì)，在灌漿期達(dá)到最高值。2016年，PMO處理春小麥葉片的SPAD值在苗期、拔節(jié)期和成熟期較PMS處理分別提高0.84%、2.90%和2.39%(P<0.05)；2017年，PMO處理春小麥葉片的SPAD值在苗期、灌漿期和成熟期較PMS處理分別提高3.63%、2.72%和6.26%(P<0.05)。2年試驗(yàn)期間，PMO處理春小麥葉片SPAD均值在苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別較CK處理提高9.34%、6.43%、9.08%、6.94%和13.96%(P<0.05)。說(shuō)明增施有機(jī)肥能顯著提高小麥葉片的SPAD值。

圖1 不同生育時(shí)期春小麥田0～300 cm土壤貯水量的變化Fig.1 Soil water storage dynamics in 0-300 cm soil profile at different spring wheat growth stages under different treatments

表1 春小麥不同生育階段0～300 cm土壤耗水量Table 1 Effect of different treatments on soil water consumption at 0-300 cm at different stages of spring wheat

同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示同一年度內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different letters in each column indicate significant differences among different treatments with in same year at 0.05 level. The same in tables 2 and 3.

2.4 增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥地上干物質(zhì)積累量的影響

不同處理對(duì)春小麥地上干物質(zhì)積累的影響顯著(表2)。2年試驗(yàn)期間，PMO處理在春小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的單株干物質(zhì)積累量均值分別較CK增加220.84%、200.00%、177.86%、117.16%和157.89%(P<0.05)。春小麥生育前期(出苗期和拔節(jié)期)PMO處理的單株干重與PMS處理的差異不顯著(P>0.05)，而生育后期(抽穗期、灌漿期和成熟期)其單株干物質(zhì)積累量顯著高于PMS處理(P<0.05)。說(shuō)明增施有機(jī)肥能明顯促進(jìn)小麥生育后期的地上干物質(zhì)累積。

2.5 增施有機(jī)肥對(duì)全膜覆土穴播春小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

降雨量與春小麥?zhǔn)斋@指數(shù)顯著相關(guān)(表3)，2016年為平水年，PMO處理春小麥?zhǔn)斋@指數(shù)與CK處理差異顯著；2017年為欠水年，PMO處理春小麥?zhǔn)斋@指數(shù)與PMS 和CK處理均無(wú)顯著差異 (P>0.05)。分析各處理產(chǎn)量及其構(gòu)成因子發(fā)現(xiàn)，PMO處理春小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均高于PMS和CK處理，且與CK處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，產(chǎn)量顯著高于PMS和CK處理(P<0.05)，說(shuō)明PMO處理的增產(chǎn)表現(xiàn)最佳。

圖2 不同處理春小麥葉片的SPAD值Fig.2 Effect of different treatments on SPAD value of spring wheat leaf 表2 不同處理春小麥單株干物質(zhì)積累量Table 2 Effect of different treatments on dry matter weight per plant of spring wheat g

表3 不同處理下春小麥產(chǎn)量和水分利用效率Table 3 Effect of different treatments on yield and WUE of spring wheat

2年試驗(yàn)期間，PMS處理生育期耗水量均值較CK處理增加16.8%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；PMO處理產(chǎn)量均值分別較CK和PMS處理增加53.74%和9.11%，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)；PMO處理和PMS處理的水分利用效率均值分別較CK處理提高54.19%和21.07%，且PMO較PMS處理提高27.39%，差異顯著(P<0.05)。因此，與CK和PMS處理相比，PMO處理能夠顯著提高春小麥產(chǎn)量和水分利用效率。

3 討 論

本研究采用秋覆膜的方式研究有機(jī)肥對(duì)土壤貯水量的影響，結(jié)果顯示，從播種期到灌漿期，PMO處理與PMS處理麥田0～300 cm土壤貯水量明顯高于CK處理；與PMS和CK處理比較，PMO處理在春小麥抽穗期、灌漿期和成熟期的0～300 cm土壤貯水量明顯提升；2017年降雨較少，偏干旱，PMO處理土壤貯水量的增幅明顯高于其他處理，可能是因?yàn)檫B續(xù)2年增施高量有機(jī)肥改善了土壤水分環(huán)境，這與已有研究結(jié)果一致[18-21]。2016年拔節(jié)期，PMO處理麥田0～300 cm土壤貯水量明顯低于PMS處理；在出苗-拔節(jié)階段，PMO處理0～300 cm土壤貯水量明顯低于PMS和CK處理，同時(shí)，PMO處理 0～300 cm土壤耗水量也顯著高于PMS和CK處理，這是由于增施有機(jī)肥能促進(jìn)春小麥快速生長(zhǎng)，使耗水量增加，由此也說(shuō)明PMO處理具有較好的土壤水分供應(yīng)能力；在拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿階段，PMO處理麥田0～300 cm土壤耗水量顯著低于PMS和CK處理，主要是由于該階段降雨集中，PMO處理能有效地利用并儲(chǔ)存降雨；在灌漿-成熟階段，PMO處理麥田土壤貯水量顯著高于PMS處理，但土壤耗水量無(wú)顯著差異，表明PMO處理調(diào)節(jié)小麥耗水能力優(yōu)于PMS處理。旱地覆蓋地膜能明顯降低小麥生育后期土壤貯水量[5,12]，這對(duì)灌漿將產(chǎn)生限制作用，而PMO處理能提高小麥全生育期的土壤含水量，增強(qiáng)土壤保墑能力，緩解旱地地膜覆蓋作物生長(zhǎng)前后期供水不平衡的矛盾，進(jìn)而促進(jìn)作物正常生長(zhǎng)，這是PMO處理下作物產(chǎn)量增加和水分利用效率提高的關(guān)鍵。

本研究表明， PMO處理小麥葉片的SPAD值在全生育期均顯著高于CK處理，其中，在小麥生育中后期，PMO處理的SPAD值顯著高于PMS處理，這是因?yàn)镻MO與PMS兩個(gè)覆膜處理能明顯提高土壤貯水量和水分利用效率，也與PMO處理增施有機(jī)肥，改善了旱地覆膜小麥生長(zhǎng)后期土壤水分的供應(yīng)不足等問(wèn)題有關(guān)。拔節(jié)期和抽穗期是小麥生理需水的關(guān)鍵期、臨界期，此期水分充足，可大幅提高產(chǎn)量。PMO處理從拔節(jié)期到成熟期生物量和土壤貯水量均最高，從抽穗期以后生育期階段耗水量均低于PMS處理，說(shuō)明全膜覆土條件下增施有機(jī)肥能夠提高春小麥生育期供水能力，有效地保蓄降雨和調(diào)節(jié)春小麥生育期需水與土壤供水矛盾，促進(jìn)生物量積累。因此，PMO處理能夠調(diào)節(jié)作物對(duì)土壤水分的利用，提高小麥光合作用且促進(jìn)植株建成，為小麥獲得高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

本研究中，因降雨量和降雨時(shí)期的明顯差異，使得2年試驗(yàn)期間植株成熟期的生物量有顯著差異，PMO處理的收獲指數(shù)均高于PMS處理。與CK處理相比，PMO處理可顯著提高春小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，PMS能顯著提高春小麥產(chǎn)量，這主要是由于覆膜能有效改善土壤水分狀況，提高水分利用效率[12,17]；與PMS處理相比，PMO處理能有效改善小麥生育中后期的土壤水分狀況，保證作物正常生長(zhǎng)，使產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高。綜上所述，在全膜覆土穴播條件下增施有機(jī)肥能有效提升春小麥生育期土壤貯水量和緩解生育期水分供需矛盾，有效提高各生育期的SPAD值、地上生物量的積累量及水分利用效率，促進(jìn)產(chǎn)量增加。鑒于有機(jī)肥肥效較緩慢，其對(duì)土壤水分的長(zhǎng)效機(jī)制、全膜覆土穴播條件下春小麥田的最佳用量和作用效果以及對(duì)土壤養(yǎng)分的調(diào)控機(jī)制等，均需要進(jìn)一步研究探討。